1822. gadā nosaukumu "paleontoloģija" piedāvāja franču zoologs Anrī Marī Dikrotē Deblenvils (Henri Marie Ducrotay de Blainville); kano grieķu παλαιοντολογία, palaiontologia ‘zinātne par senajām būtnēm’.

Paleontoloģija ir viena no Zemes zinātnēm. Paleontoloģijas priekšmets ir ģeoloģiskās pagātnes organiskā pasaule, senatnē eksistējošie dzīvnieki, augi un citi organismi, kurus iespējams izpētīt pēc to pārakmeņojušos atliekām, darbības pēdām, dzīves norises rezultātā tapušām vielām (dzelzs, sēra un citi savienojumi kā vielmaiņas galaprodukti) un veidojumiem (piemēram, degslānekļi, kūdra, stromatolīti u. c.), kā arī organiskas izcelsmes molekulu atradumiem iežos. Viens no svarīgākajiem paleontoloģijas uzdevumiem ir pagātnes organiskās pasaules attīstības izsekošana un dzīvības evolūcijas likumsakarību noskaidrošana. Paleontoloģijas datu izmantošana palīdz izprast biosfēras un visas planētas ģeoloģisko vēsturi, kā arī dzīvības makroevolūcijas aspektus.

Paleontoloģijas sasniegumus praktiskām vajadzībām izmanto galvenokārt ģeoloģijā, lai noteiktu nogulumiežu vecumu. Paleontoloģiskā metode tiek uzskatīta par svarīgāko fanerozoja (Zemes vēstures pēdējo 542 miljonu gadu) nogulumiežu relatīvā vecuma noskaidrošanai.

Paleontoloģijas struktūru veido vairākas apakšnozares, kas pēta: paleobotānika – senos augus; paleozooloģija – bezmugurkaulniekus un mugurkaulniekus; mikropaleontoloģija – mikroskopiski sīku organismu paliekas, kā arī lielu organismu mikroskopiskus skeletu fragmentus un ihnoloģija – seno dzīvnieku pēdas kā uzvedības liecības. Paleontoloģija ir starpdisciplināra zinātne, kas saistīta ar cita profila disciplīnām, kas pēta: biomineralizācija – organismu mineralizēto skeletu veidošanos; biostratigrāfija – organismu laiktelpisko izplatību nogulumiežu slāņos; paleoantropoloģija – mūsdienu cilvēku senčus, hominīdu (primātu) dzimtas pārstāvjus; paleobioģeogrāfija – seno organismu ģeogrāfiskās izplatības likumsakarības; paleoekoloģija – pagātnes organismu savstarpējās attiecības un attiecības ar vidi; paleofloristika un paleofaunistika – ģeoloģiskās pagātnes floras un faunas; paleoneiroloģija – seno mugurkaulnieku, t. sk. cilvēku senču smadzeņu uzbūvi pēc galvaskausu atlējumiem; paleopalinoloģija – seno aļģu un augu sporas un augu putekšņus; paleopedoloģija – senās augsnes; tafonomija – fosilizācijas procesus, un citām.

Svarīgākās paleontoloģijas teorijas vienlaicīgi uzskatāmas arī par bioloģijas un evolūcijas mācības teorijām. Saskaņā ar mūsdienu priekšstatiem un paleontoloģijas datiem, ticamākā ir abioģenēzes teorija. Saskaņā ar šo teoriju dzīvība uz Zemes radusies pirms apmēram 3,8 miljardiem gadu, sākotnēji ķīmiskās evolūcijas ceļā no dažādiem neorganiskiem savienojumiem. Tiek uzskatīts, ka visi dzīvie organismi uz Zemes cēlušies no kopīga senča un ir savstarpēji radniecīgi. Paleontoloģijas dati šķietami apliecina dzīvo organismu evolūcijas “punktveida” raksturu. Saskaņā ar šo koncepciju, dabiskā izlase darbojas galvenokārt par stabilizējošu faktoru un nemainīgos apstākļos sugas ilgstoši nemainās, bet jaunas sugas veidojas samērā īsos laika posmos, kad apgūst brīvas vai jaunas ekoloģiskās nišas (sugas funkcionālā vieta ekosistēmā), vai arī spiestas pielāgoties strauji mainīgiem vides apstākļiem. 

Fosiliju pētījumi sākas ar paraugu iegūšanu un to kolekciju veidošanu. Parasti pārakmeņojumu paraugu turpmākie pētījumi iespējami tikai pēc to mehāniskās vai ķīmiskās preparēšanas, bet mikrofosiliju pētījumos izmanto dažādas ekstrakcijas metodes, piemēram, iežu paraugu šķīdināšanu skābēs un mikrofosiliju atdalīšanu smagajos šķīdumos vai centrifūgā. Mehānisko preparēšanu veic zem mikroskopa, graudu pēc grauda atdalot iezi no fosilijas. Gadījumos, kad iezis ir mehāniski izturīgāks par fosilijām, izmanto t. s. negatīvo preparēšanu: iezi pilnībā attīra no fosilijas un nospiedumu izmanto atlējumam. Mehāniskai preparēšanai galvenokārt izmanto tērauda, retāk cietās koksnes adatas, urbjmašīnas, smilšu strūklas mehānismus vai ar saspiesto gaisu darbināmus pneimatiskos darbarīkus. Ķīmisko preparēšanu un ekstrakcijas metodes lieto, ja ietverošo iežu un fosiliju ķīmiskais sastāvs būtiski atšķiras. Ķīmiskai preparēšanai, ņemot vērā ieža un fosiliju sastāvu, izmanto dažas skābes (etiķskābe, florskābe, skudruskābe) vai sārmus. Fosiliju pētījumos izmanto vairākus speciālos paņēmienus – dažāda veida starojumu (ultravioletais, rentgenstari) izmantošana attēlu iegūšanai, katodluminiscenci mugurkaulnieku atlieku histoloģiskiem pētījumiem, pieslīpņu un plānslīpējumu pagatavošanu objektu iekšējās uzbūves izzināšanai. 21. gs. sākumā strauji pieauga datortomogrāfijas izmantošana gan liela izmēra, gan mikroskopisko fosiliju morfoloģiskiem pētījumiem un organismu skeletu rekonstrukciju izveidei trīs dimensijās. Papildus specifiskām pētniecības metodēm tiek lietotas arī bioloģijas, ekoloģijas, osteoloģijas, fizikas, ķīmijas un matemātikas metodes – optiskā un elektronu mikroskopija, morfoloģiskie un histoloģiskie pētījumi, salīdzināmā anatomija, morfofunkcionālā analīze, ģeoķīmiskās analīzes, matemātiskā statistika un citas. Vairāku metožu izmantošana sniedz priekšstatus par seno organismu augšanu, skeletu biomehāniku, uzturu, dzīves veidu un eksistences apstākļiem, mainību, dzimumu un cita veida dimorfismu. Taksonomiskie pētījumi aptver galvenokārt dažādu morfoloģisko pazīmju, kā arī, iespēju robežās, ģenētiskās informācijas (DNS) analīzi un filoģenētiskās rekonstrukcijas, kas mūsdienās balstītas uz kladistikas analīzes metodoloģiju, un atveido dažādu organismu un to grupu radniecības attiecības. 

Ziņas par seno dzīvnieku atlieku atradumiem sastopamas sengrieķu mītos un Teofrasta (Θεόφραστος), Ksenofana (Ξενοφάνης), Hērodota (Ἡρόδοτος) un citu senās Grieķijas domātāju, persiešu zinātnieka Avicennas (Avicenna) un dažu senās Ķīnas autoru darbos. Teofrasts uzskatījis fosilijas par Zemes dzīļu slēpto spēku veidojumiem, savukārt Ksenofans pareizi novērtēja Samosas salā atrodamās fosilijas kā izmirušo dzīvnieku atliekas. Ķīniešu dabaszinātnieks Šens Kuo (Shen Kuo) pirms gandrīz tūkstoš gadiem izvirzīja teoriju par klimata pārmaiņām, pamatojoties uz bambusa pārakmeņojumu atradumiem Ķīnā. Eiropas renesanses laikā sistemātiskie fosiliju pētījumi, piemēram, Leonardo da Vinči (Leonardo da Vinci) atziņas darbā “Lesteras kodekss” (Codex Leicester, 1510), kļuvuši par dabas filozofijas neatņemamu sastāvdaļu. Tradicionāli paleontoloģijas vēstures sākumu saista ar šveiciešu dabaszinātnieku Konrādu Gesneru (Conrad Gessner), kurš darbā “Dzīvnieku vēsture” (Historiae animalium, 1551–1558) pirmo reizi attēlojis dažu dzīvnieku fosilijas. 18. gs. beigās franču dabaszinātnieka Žorža Kivjē (Georges Cuvier) darba rezultātā tika radīta jauna zinātne – salīdzinošā anatomija. Ž. Kivjē pierādīja dažu, tikai pēc fosilijām zināmu, dzīvnieku līdzību mūsdienu dzīvniekiem un to, ka organismi mēdz pilnībā izmirt. Ž. Kivjē darbi veicināja paleontoloģijas izveidi ciešā saistībā ar ģeoloģiju. Paleontoloģija kā patstāvīga disciplīna attīstījās 19. gs. sākumā, nostiprinot viedokli par paleontoloģiju kā atsevišķu zinātni ar savu specifisko pētījumu objektu un savām īpašajām pētījumu metodēm.

21. gs. paleontoloģiskie pētījumi strauji attīstās, pateicoties jaunu pētījumu metožu ieviešanai (datortomogrāfija) un paleontoloģiski vāji raksturoto teritoriju un iežu slāņkopu apgūšanai, piemēram, Arktiskajā Kanādā un Grenlandē, Krievijas Arktikā, Āfrikā, Dienvidamerikā un citur.

Visā pasaulē zinātniskos pētījumus paleontoloģijā veic galvenokārt valstu ģeoloģijas dienestos, augstskolās, muzejos un to laboratorijās, kā arī dažu valstu zinātņu akadēmiju vai specializētos institūtos. Ķīnas zinātņu akadēmijas Mugurkaulnieku paleontoloģijas un paleoantropoloģijas institūts Pekinā (The Institute of Vertebrate Paleontology and Paleoanthropology (IVPP), Chinese Academy of Sciences) ir viens no vadošajiem centriem pasaulē seno mugurkaulnieku un cilvēku senču pētījumu jomā. Krievijā paleontoloģisko pētījumu centrs ir Krievijas Zinātņu akadēmijas Paleontoloģijas institūts, kuru 1930. gadā nodibināja akadēmiķis Aleksejs Borisjaks (Палеонтологический институт имени А. А. Борисяка Российской академии наук) un Krievijas Zinātņu akadēmijas Paleontoloģijas muzejs (Палеонтологический музей имени Ю. А. Орлова Российской академии наук). Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV), Francijā, Kanādā, Lielbritānijā, Polijā, Spānijā, Vācijā paleontoloģijas institūti galvenokārt ir universitāšu sastāvā; bieži vien ar universitātēm ir saistīti arī paleontoloģijas muzeji. Lielākās apzinātas paleontoloģiskas kolekcijas glabājas Dabas vēstures muzejā Londonā (Natural History Museum), Kalifornijas Universitātes Paleontoloģijas muzejā (University of California, Museum of Paleontology), Amerikas Dabas vēstures muzejā Ņujorkā (American Museum of Natural History), Francijas Nacionālajā Dabas vēstures muzejā Parīzē (Muséum national d'histoire naturelle), Berlīnes Dabas vēstures muzejā (Museum für Naturkunde Berlin), Fīlda muzejā Čikāgā (Field Museum), Beļģijas Karaliskajā Dabaszinātņu Institūtā Briselē (Institut royal des Sciences naturelles de Belgique), Kārnegi Dabas vēstures muzejā Pitsburgā (Carnegie Museum of Natural History), bet plašas kolekcijas pastāv arī Austrālijā, Irānā, Indijā, Krievijā, Ķīnā, Mongolijā, Argentīnā, Brazīlijā un Dienvidāfrikā. Eiropas un Ziemeļamerikas valstīs ir samērā daudz specializēto paleontoloģijas muzeju izcilu paleontoloģisko pieminekļu vietās, piemēram, Dinozauru nacionālais piemineklis ASV (Dinosaur National Monument) un Karaliskais Tirela muzejs Kanādā (The Royal Tyrrell Museum). Viens no jaunākiem ir Lesvosas pārakmeņotā meža muzejs Grieķijā (Museum of Natural History of the petrified forest of Lesvos). Latvijā pētījumi paleontoloģijas jomā notiek Latvijas Universitātē un Latvijas Dabas muzejā.

Neues Jahrbuch für Geologie und Paläontologie (Vācija, kopš 1807); Palaeontographica (Vācija, kopš 1846); Bulletins of American Paleontology (ASV, kopš 1895); Annales de Paléontologie (Francija, kopš 1905); Paläontologische Zeitschrift (Vācija, kopš 1914); Journal of Paleontology (ASV, kopš 1927); Acta Palaeontologica Polonica (Polija, kopš 1956); Palaeontology (Lielbritānija, kopš 1957); Палеонтологический журнал (Krievija, kopš 1959); Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology (izdevējs Elsevier, kopš 1965); Geobios (starptautiskais žurnāls, kopš 1968); Lethaia (izdevējs Wiley-Blackwell, Starptautiskās paleontoloģijas asociācijas (International Palaeontological Association, IPA) un Starptautiskās stratigrāfijas komisijas (International Commission on Stratigraphy, ICS) žurnāls, kopš 1968); Alcheringa: An Australasian Journal of Palaeontology (Austrālija, kopš 1975); Journal of Vertebrate Paleontology (ASV, kopš 1980).

Paleontoloģijas izveidē un pagātnes organismu izzināšanā nozīmīga ir vairāku 19. gs. zinātnieku darbība – šveiciešu un amerikāņu dabaszinātnieks, paleontologs, biologs un ģeologs Luijs Agasī (Jean Louis Rodolphe Agassiz); argentīniešu dabaszinātnieks, viens no Dienvidamerikas paleontoloģijas pamatlicējiem Florentino Amegino (Florentino Ameghino); franču ģeologs, viens no paleobotānikas pamatlicējiem Ādolfs Bronjārs (Adolphe Théodore Brongniart); viens no izcilākajiem Vācijas ģeologiem un paleontologiem Leopolds fon Buhs (Christian Leopold von Buch); vācu dabaszinātnieks, viens no paleoantropoloģijas pamatlicējiem, Neandertāles cilvēka atklājējs Johans Fulrots (Johann Carl Fuhlrott); franču zinātnieks, viens no mugurkaulnieku paleontoloģijas pamatlicējiem Žoržs Kivjē; franču un beļģu dinozauru pētnieks Luijs Dollo (Louis Antoine Marie Joseph Dollo), ieviesa evolūcijas neatgriezeniskuma jeb t. s. Dollo principu, saskaņā ar kuru struktūra vai orgāns, kas izzudis evolūcijas gaitā, nevar atkal parādīties šajā organismā; rīdzinieks, embrioloģijas un Krievijas paleontoloģijas pamatlicējs Kristians fon Panders (Christian Heinrich von Pander).  

Kopš 20. gs. vidus nozīmīgus atklājumus veikuši – Lielbritānijas mugurkaulnieku paleontologs, vairāku mācību un populāri zinātnisko grāmatu autors Maikls Bentons (Michael Benton); ASV paleozoja un mezozoja mugurkaulnieku paleontologs, vairāku grāmatu autors un jaunu sugu atklājējs Roberts Kerols (Robert Lynn Carroll); Lielbritānijas paleobotāniķe, kas pēta augu sauszemes apgūšanu Daiana Edvardsa (Dianne Edwards); Krievijas vēlā proterozoja bezskeleta daudzšūņu faunu pētnieks Mihails Fedonkins (Михаил Александрович Федонкин); vācbaltiešu izcelsmes paleozoologs, viens no izcilākajiem 20. gs. paleoihtiologiem Valters Gross (Walter Robert Gross); Lielbritānijas paleontologs un biologs, zinātnes popularizētājs, žurnāla ‘Nature’ galvenais redaktors Henrijs Džī (Henry Gee); Lielbritānijas bezmugurkaulnieku paleontologs, Paleontoloģijas asociācijas (Palaeontological Association) prezidents Deivids Hārpers (David A. T. Harper); viens no pazīstamākiem ASV dinozauru pētniekiem Džeks Horners (John R. Jack Horner); ASV senāko, arhaja un proterozoja, dzīvības formu pētnieks Endrjū Nolls (Andrew Herbert Knoll); Kenijas paleoantropologu dinastijas pārstāvji, daudzu cilvēka tālo senču atklājēji Luiss Līkijs (Louis Leakey), Mērija Līkija (Mary Leakey), Ričards Līkijs (Richard Leakey) un Mēve Līkija (Meave Leakey); Lielbritānijas paleontologs, kembrija Bērdžesas slānekļu ar skeletiem apveltīto dzīvnieku faunas un kembrija „evolucionārā sprādziena” pētnieks Simons Konvejs Moriss (Simon Conway Morris); ASV paleontologs, fosiliju hronikas un biodaudzveidības izmaiņu pētnieks Deivids Raups (David Malcolm Raup); Austrālijas paleontologs, ģeologs un paleopedologs, pēta seno augšņu hronoloģiju un dzīvības evolūciju sauszemē Gregorijs Retalaks (Gregory Retallack); ASV paleontologs, viens no nozīmīgākajiem dinozauru pētniekiem Pols Sereno (Paul Callistus Sereno); Krievijas paleontologs un stratigrāfs, ilggadējais Krievijas paleontoloģijas biedrības (Палеонтологическое общество при Российской академии наук) vadītājs Boriss Sokolovs (Борис Сергеевич Соколов).